文/夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

智能化精鍛技術(shù)的研究及應(yīng)用前景

文/夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

《中國制造2025》中提出我國2016—2025年制造技術(shù)和裝備制造業(yè)的發(fā)展方向是“數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”。不難看出，智能化是未來10年發(fā)展的終極目標(biāo)和頂層設(shè)計(jì),精鍛技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，無疑智能化精鍛技術(shù)也是智能化制造技術(shù)的重要組成部分。今年年初，筆者有幸參加華中科技大學(xué)負(fù)責(zé)組織編寫的《2016—2035年我國智能制造技術(shù)發(fā)展規(guī)劃草案》，下面將所寫的智能化精鍛技術(shù)做出較為詳細(xì)的介紹，供相關(guān)鍛造企業(yè)在制定發(fā)展規(guī)劃時(shí)參考。

智能化精鍛技術(shù)的內(nèi)涵及特點(diǎn)

根據(jù)鍛造材料的物理性能參數(shù)與鍛造工藝參數(shù)，通過數(shù)值模擬、物理模擬或工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，得到鍛件的尺寸、力學(xué)性能及微觀組織等信息，采用專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)生成優(yōu)化的精鍛方案及工藝參數(shù)；開發(fā)鍛件鍛造工藝規(guī)劃，鍛模設(shè)計(jì)與制造以及鍛造成形過程與鍛模工況的CAD/CAPP/CAM/CAE智能化集成軟件系統(tǒng)；通過該系統(tǒng)與智能型鍛造壓力機(jī)將金屬毛坯鍛造成形為其形狀尺寸精度及力學(xué)性能盡可能與零件接近的精化毛坯或直接成形為成品零件的精鍛成形技術(shù)。

⑴鍛造工藝數(shù)字化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化：鍛件材料的物理性能參數(shù)與鍛造工藝參數(shù)，通過物理模擬和數(shù)值模擬，得到鍛件的尺寸、力學(xué)性能及微觀組織等信息，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)藉懺煸O(shè)備或所需網(wǎng)站。

⑵鍛造設(shè)備數(shù)字化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化：數(shù)控鍛造設(shè)備本身已具有設(shè)備技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)功能，通過位移、速度、壓力及溫度等傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及處理系統(tǒng)得到所需與鍛件質(zhì)量相關(guān)信息，通過與上述信息比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛造設(shè)備的優(yōu)化控制，進(jìn)而得到優(yōu)質(zhì)鍛件。

⑶智能制造：應(yīng)當(dāng)包括智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫，具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集和理解環(huán)境信息與自身的信息，并進(jìn)行分析判斷和自身行為的能力。智能化精密鍛造技術(shù)屬于國家重點(diǎn)發(fā)展的智能技術(shù)之一。

其特點(diǎn)是：其智能集成系統(tǒng)，對(duì)于鍛件材料、鍛件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、尺寸精度、鍛造溫度、成形力、成形速度、潤滑條件及模具與設(shè)備狀態(tài)等條件，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自調(diào)整的功能，確保獲得低成本合格的精密鍛件或成品零件。

主要研究內(nèi)容

(1)結(jié)構(gòu)鋼與高強(qiáng)度鋁合金，冷溫?zé)峒盁崂渎?lián)合精鍛近/凈成形新工藝；

(2)以獲得合格精密鍛件為目標(biāo)的逆向模擬工藝優(yōu)化理論及算法；

(3)高承載緊湊型長壽命精鍛組合模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，新型模具結(jié)構(gòu)及模具的3D打印再制造技術(shù)；

(4)CAD/CAPP/CAM/CAE集成系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)精鍛工藝全流程CAPP工藝參數(shù)的專家系統(tǒng)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊的開發(fā)；

(5)高精、高效、智能化精鍛壓力機(jī)的研制；

(6)分別適應(yīng)單一少品種大批量和多品種中小批量精鍛件步進(jìn)梁和機(jī)器人操作的自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)開發(fā)；

(7)鍛件輪廓形狀及尺寸在線精密檢測數(shù)據(jù)采集與處理軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)；

(8)以綠色鍛造為目的的環(huán)保型自動(dòng)化精鍛生產(chǎn)線與精鍛車間技術(shù)的開發(fā)等。

精鍛生產(chǎn)企業(yè)或車間局域網(wǎng)及其執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

精鍛生產(chǎn)企業(yè)或車間局域網(wǎng)設(shè)計(jì)思路

其設(shè)計(jì)思路如圖1所示，它由數(shù)字化精鍛技術(shù)模塊與物流及生產(chǎn)管理模塊所組成。

其中，CAPP為鍛件生產(chǎn)工藝文件，亦稱工藝卡，包括坯料、制坯、預(yù)鍛、終鍛和切邊工步圖及工藝參數(shù)，所需模具及工裝與設(shè)備、材料消耗及工時(shí)定額等內(nèi)容。

圖1 車間局域網(wǎng)

精鍛生產(chǎn)車間執(zhí)行系統(tǒng)方案（MES）設(shè)計(jì)

其執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖2所示，該方案具有較強(qiáng)的通用性，既適用于精鍛生產(chǎn)車間，又適用于沖壓生產(chǎn)車間，還適用于機(jī)械制造車間。

未來預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)及展望

2025年達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

精密鍛件產(chǎn)量與模鍛件總產(chǎn)量之比由目前的8%提高到35%；材料利用率由目前平均70%～75%提高到85%～90%；黑色金屬精鍛模具壽命由目前平均6千～8千件提高到3萬件以上，高強(qiáng)度鋁合金精鍛模具壽命由目前平均1.5萬件提高到6萬件以上，加熱能耗降低30%以上，總體達(dá)到德國和日本同時(shí)期精鍛技術(shù)的先進(jìn)水平。

2035年的技術(shù)指標(biāo)及發(fā)展展望

(1)技術(shù)指標(biāo)。精密鍛件產(chǎn)量與模鍛件總產(chǎn)量之比達(dá)到50%以上；材料利用率達(dá)到95%～98%，黑色金屬與高強(qiáng)度鋁合金精鍛模具壽命分別達(dá)到6萬件和12萬件；加熱能耗降低60%左右。

(2)展望。到2035年前，我國精鍛技術(shù)總體與德國和日本等同居國際精鍛技術(shù)的先進(jìn)水平持平。以所取得的國際發(fā)明專利為基礎(chǔ)，力求在轎車直錐齒輪修形及閉式冷精鍛、自動(dòng)變速器結(jié)合齒輪中空分流溫冷聯(lián)合精鍛和重卡大型平衡軸齒輪、高鐵與動(dòng)車鉤尾框、車輪及軸承精鍛成形領(lǐng)域有重大突破；轎車懸掛系統(tǒng)零部件高強(qiáng)度鋁合金流動(dòng)控制成形；高承載緊湊型精鍛模設(shè)計(jì)與制造及3D打印再制造等技術(shù)取得系列創(chuàng)新成果，其成果居國際領(lǐng)先水平，使我國既成為世界精鍛件生產(chǎn)第一大國，又成為強(qiáng)國。

圖2 車間執(zhí)行（MES）系統(tǒng)

(3)發(fā)展路徑。將2015～2035又分為四個(gè)階段，即分別與“十三五”～“十六五”四個(gè)五年規(guī)劃對(duì)接，以便充分利用其政策導(dǎo)向，爭取重大專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持，確保精鍛技術(shù)的快速發(fā)展和成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

應(yīng)用前景

智能化精鍛成形技術(shù)為整個(gè)智能制造技術(shù)的重要組成部分，在汽車，高鐵，艦船，航空航天與國防軍工產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

黑色金屬精鍛件品種多，數(shù)量大，應(yīng)用廣泛

(1)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿及氣門、底盤上的傳動(dòng)軸、前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、半軸及后橋上的大小齒輪、變速箱軸齒類零件共幾十余種、200余件均需采用精鍛技術(shù)生產(chǎn)。以齒輪為例，一輛汽車上的齒輪有20余種、40余件，其中20余件需采用精鍛凈成形，其齒形精度超過7級(jí)，可直接裝車使用。2015年，我國汽車產(chǎn)銷量為2460萬輛，可采用精鍛技術(shù)生產(chǎn)的齒輪超過5億件。

(2)高鐵動(dòng)車上的鉤尾框、車軸、牽引鉤等關(guān)鍵承力件，艦船上大功率發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿均為大型構(gòu)件，隨著功率不斷增大，運(yùn)行速度不斷提高，只有采用精密鍛件才能滿足其性能要求。

鋁合金精密鍛件需求迅速增長

(1)為適應(yīng)汽車輕量化要求，鋁合金作為輕量化首選材料所生產(chǎn)的精密鍛件品種越來越多，數(shù)量越來越大，如轎車輪圈、空調(diào)和安全氣囊關(guān)鍵零件等均為鋁合金精密鍛件。近年來，懸掛系統(tǒng)上的全部零件都采用鋁合金精密鍛造制造；我國新能源汽車發(fā)展迅速，2015年產(chǎn)銷量為33.7萬輛，超過美國居世界第一，“十三五”期間，累計(jì)產(chǎn)銷量將達(dá)500萬輛。為實(shí)現(xiàn)輕量化，需要鋁合金鍛件將更多。美國于本世紀(jì)初，每輛轎車鋁合金鍛沖件就達(dá)到36.3%，歐洲和日本每輛轎車上鋁合金鍛沖件也達(dá)到了18%以上，我國尚不到5%，力求在10年內(nèi)達(dá)到25%～30%。

(2)飛機(jī)及航空航天飛行器大部分零部件均由鋁合金鍛沖件制造，坦克和裝甲車內(nèi)部零件普遍采用高強(qiáng)度鋁合金代替合金結(jié)構(gòu)鋼制造，大幅提升了行駛速度和機(jī)動(dòng)性；炮火和槍械也采用高強(qiáng)度鋁合金代替合金結(jié)構(gòu)鋼，大幅度減輕重量，進(jìn)而減輕士兵的負(fù)荷，提升戰(zhàn)斗力。